CN112526775B - 基于磁光材料的与偏振无关的光子晶体环行器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于磁光材料的与偏振无关的光子晶体环行器，其中，包括：光子晶体波导；磁光材料复合件，设置于所述光子晶体波导的中心；所述磁光材料复合件包括：铁氧体材料层和等离子体材料层。通过在光子晶体波导的中心设置磁光材料复合件，利用磁光材料复合件中的铁氧体材料层和等离子体材料层，分别对TE和TM模式提供磁光旋转效应。从而使得该光子晶体环行器，可同时工作于TE和TM两种偏振模式下，扩大了光子晶体环行器的适用范围。

Description

基于磁光材料的与偏振无关的光子晶体环行器
技术领域
本发明涉及环行器技术领域，具体涉及一种基于磁光材料的与偏振无关的光子晶体环行器。
背景技术
环行器是一种实现电磁波信号正向顺序导通而反向传输阻止的多端口非互易无源器件，在微波及光波频段，利用环行器可实现网络的双工、去耦、保护和匹配等功能。
环行器在光路集成中可作为一种非互易器件，它可以控制光波沿特定通道传输而避免其对其它通道的干扰，从而提高集成光路的稳定性。环行器如果作为隔离器使用时，可以通过屏蔽来自输出端的信号而使信号只能在一个方向上传播；在反射放大器中，环行器作为非互易器件可以将放大的输出信号与输入端分离，所以环行器也是构建大规模集成光路时不可或缺的功能器件。
然而，目前可见的绝大多数环行器都只能工作在单一偏振模式下，即只能工作于TE或TM模式。如果输入端既有TE波信号输入，又有TM波信号输入，则这种单一偏振模式的环行器就将失效。
因此，如何提升环行器的适用范围是亟需解决的问题。
发明内容
本发明提供一种基于磁光材料的与偏振无关的光子晶体环行器，旨在一定程度上解决现有技术中环行器不能同时工作在TE和TM偏振模式下的技术问题。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种基于磁光材料的与偏振无关的光子晶体环行器，其中，包括：
光子晶体波导；
磁光材料复合件，设置于所述光子晶体波导的中心；所述磁光材料复合件包括：铁氧体材料层和等离子体材料层。
可选地，所述的基于磁光材料的与偏振无关的光子晶体环行器，其中，所述铁氧体材料层包覆在所述等离子体材料层的表面或所述等离子体材料层包覆在所述铁氧体材料层的表面；所述磁光材料复合件为圆柱或正多边形柱。
可选地，所述的基于磁光材料的与偏振无关的光子晶体环行器，其中，所述光子晶体波导由具有第一折射率的介质柱阵列周期性排列于具有第二折射率的介质中构成；所述第一折射率小于所述第二折射率。
可选地，所述的基于磁光材料的与偏振无关的光子晶体环行器，其中，所述第一折射率小于1.6，所述第二折射率大于2.0。
可选地，所述的基于磁光材料的与偏振无关的光子晶体环行器，其中，所述第一折射率介质柱为圆柱或正多边形柱。
可选地，所述的基于磁光材料的与偏振无关的光子晶体环行器，其中，所述光子晶体波导为Y字形光子晶体波导。
可选地，所述的基于磁光材料的与偏振无关的光子晶体环行器，其中，所述光子晶体波导为二维光子晶体波导。
可选地，所述的基于磁光材料的与偏振无关的光子晶体环行器，其中，所述二维光子晶体波导包括：蜂窝结构二维光子晶体波导、孔状三角晶格二维光子晶体波导、非规则形状二维光子晶体波导。
可选地，所述的基于磁光材料的与偏振无关的光子晶体环行器，其中，所述磁光材料复合件为圆柱，所述复合件的半径为0.363a，其中，所述a为晶格常数。
可选地，所述的基于磁光材料的与偏振无关的光子晶体环行器，其中，所述光子晶体环行器同时工作在TE和TM偏振模式下。
有益效果：本发明提供一种基于磁光材料的与偏振无关的光子晶体环行器，通过在光子晶体波导的中心设置磁光材料复合件，利用磁光材料复合件中的铁氧体材料层和等离子体材料层，分别对TE和TM模式提供磁光旋转效应。从而使得该光子晶体环行器，可同时工作于TE和TM两种偏振模式下，扩大了光子晶体环行器的适用范围。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于磁光材料的与偏振无关的光子晶体环行器结构示意图；
图2是本发明实施例提供的三角晶格光子晶体结构的带隙结构图；
图3a是本发明实施例提供的基于磁光材料的与偏振无关的光子晶体环行器，TE波输入，P1作为输入端，P2作为输出端，P3作为隔离端时的传输谱随复合杆半径R2变化的关系图；
图3b是本发明实施例提供的基于磁光材料的与偏振无关的光子晶体环行器，TM波输入，P1作为输入端，P2作为输出端，P3作为隔离端时的传输谱随复合杆半径R2变化的关系图；
图4a是本发明实施例提供的基于磁光材料的与偏振无关的光子晶体环行器，TE波输入，P1作为输入端，P2作为输出端，P3作为隔离端时的传输谱随复合杆中铁氧体和等离子体材料比例因子K变化的关系图；
图4b是本发明实施例提供的基于磁光材料的与偏振无关的光子晶体环行器，TM波输入，P1作为输入端，P2作为输出端，P3作为隔离端时的传输谱随复合杆中铁氧体和等离子体材料比例因子K变化的关系图；
图5是本发明实施例提供的基于磁光材料的与偏振无关的光子晶体环行器实现环行功能时的场分布示意图；
图6a是本发明实施例提供的基于磁光材料的与偏振无关的光子晶体环行器，TE波输入，P1作为输入端，P2作为输出端，P3作为隔离端时的传输谱的频率响应；
图6b是本发明实施例提供的基于磁光材料的与偏振无关的光子晶体环行器，TM波输入，P1作为输入端，P2作为输出端，P3作为隔离端时的传输谱的频率响应。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。
本发明实施例提供一种基于磁光材料的与偏振无关的光子晶体环行器，包括：光子晶体波导以及设置在所述光子晶体波导中心位置的磁光材料复合件，其中，所述磁光材料复合件是由铁氧体材料层和等离子材料层构成。
在本实施例中，所述光子晶体是由不同折射率的介质周期性排列形成的结构，比如将相同的介质柱周期性排列在空气中，就可以构成一种光子晶体，其中，空气为背景材料。当将光子晶体中去掉一行介质柱，即得到光子晶体波导。需要说明的是，形成光子晶体的介质柱的横截面可以是圆形、椭圆形、环形、任意闭合曲线等形状。容易理解的是，光子晶体也可以是在具有一定厚度的介质板上，切割成通孔，所述通孔周期性排布在介质板上，构成一种光子晶体(即空气柱周期性排列在介质板中)。
在本实施例的一种实现方式中，所述光子晶体波导由低折射率介质杆在高折射率介质背景中周期排列而成。其中，所述低折射率介质为折射率小于1.6的介质，包括但不限于空气、真空、二氧化硅以及冰晶石。所述高折射率介质为折射率大于2的介质，包括但不限于硅、砷化镓以及二氧化钛。
在本实施例的一种实现方式中，所述光子晶体波导为二维光子晶体波导，包括蜂窝结构二维光子晶体波导或孔状三角晶格二维光子晶体波导或各种非规则形状二维光子晶体波导。
示例性地，结合图1，本实施例提供一种三端口光子晶体环行器，其由三个具有完全禁带的光子晶体交叉波导组成Y字形结构，交叉波导分别对应三个端口P1、P2、P3且分布于光子晶体外围；在结构的中心位置设置由铁氧体和等离子体磁光材料构成的复合杆，分别对TE和TM模式提供磁光旋转效应。
在本实施例中，使用笛卡尔直角坐标系：x轴正方向为水平向右；y轴正方向为在纸面内竖直向上；z轴正方向为垂直于纸面向外。
所述光子晶体波导由低折射率介质杆在高折射率介质背景中周期排列而成。本说明实施例中高折射率介质背景选用硅(Silicon)材料，其折射率为3.4，低折射率材料选用空气，其折射率为1.通过平面波展开法模拟仿真，可得当空气孔半径Ra＝0.47a时，结构的带隙结构图如图2所示，其完全禁带范围为0.435至0.501(ωa/2πc)，在该频段范围内，无论是TE还是TM偏振的电磁波将被限制在波导中，其中a为晶格常数，若a＝10mm，则对应实际的完全禁带为1.305×1010至1.503×1010Hz频段。
所述的磁光材料复合杆，本实施例中选用铁氧体构成复合杆里层材料，等离子体构成复合杆外层材料。其中的铁氧体材料，外磁场按z轴方向偏置，即外加磁场方向平行于z轴。在此情况下，铁氧体材料的相对介电常数εr＝12.9，相对磁导率为张量形式：
Figure BDA0002861114420000051
式中μm＝1+ωm(ω0+iαω)/[(ω0+iαω)2-ω2]，μk＝ωmω/[(ω0+iαω)2-ω2]，μC＝1，其中ω0＝μ0γH0，ωm＝μ0γMs，γ＝1.759×1011，饱和磁化强度Ms＝2.39×105A/m，损耗因子α＝3×10-5，±和m分别代表外磁场方向沿+z和-z方向，外磁场的大小为H0＝3.5×105A/m。
下面根据麦克斯韦方程推导电磁波在铁氧体中的波动方程，以解释其可以为TE波提供旋转效应。由麦克斯韦方程的微分形式：
Figure BDA0002861114420000052
Figure BDA0002861114420000061
将矢量恒等式
Figure BDA0002861114420000062
代入上述方程，可得关于磁场H的波动方程：
Figure BDA0002861114420000063
在外磁场的作用下，铁氧体材料的相对介电常数εr为常数，相对磁导率为张量形式
Figure BDA0002861114420000064
设电场和磁场矢量为E＝(Ex,Ey,Ez)e-jk·r和H＝(Hx,Hy,Hz)e-jk·r，其中k＝kxex+kyey+kzez为波矢量，r＝xex+yey+zez为位置矢量，(ex,ey,ez)为各方向的单位矢量。可得到磁场波动方程(4)的矩阵形式：
Figure BDA0002861114420000065
其中
Figure BDA0002861114420000066
为铁氧体材料中的传播常数，
Figure BDA0002861114420000067
为真空中的传播常数。方程(6)描述了磁场H在铁氧体中的传播性质，下面分TE波和TM波两种情况分别讨论：
①TE波情况
设TE波与x轴正方向呈θ角沿x-y平面传播，则电场平行于z轴，磁场位于x-y平面内，即E＝(0,0,Ez)e-jk·r，H＝(Hx,Hy,0)e-jk·r，k＝kxex+kyey，其中kx＝kcosθ，ky＝ksinθ.将上述电场、磁场以及铁氧体的相对磁导率式(1)代入(6)中，可得
Figure BDA0002861114420000068
解(7)式可得
Figure BDA0002861114420000069
Figure BDA0002861114420000071
Ex＝Ey＝Hz＝0, (10)
Figure BDA0002861114420000072
式(8)即为TE波在磁化铁氧体中的模式方程。由式(9)-(11)可得，电场只有Ez分量，而磁场有Hx和Hy分量，说明TE波可在磁化的铁氧体材料中传播。由式(9)可知Hx/Hy为复数形式，Hx和Hy存在相位差，此时磁场H为椭圆极化，由于电场只有沿z方向的分量，而磁场在x-y平面内变化的轨迹为椭圆，由右手法则易得，波传播的方向也会相应发生改变，即，磁化的铁氧体材料可以为TE波提供旋转效应。
而且，由式(9)还可发现，当外磁场的方向分别沿+z和-z方向时，Hx/Hy的虚部分别是-和+号，也就是说，Hx的相位分别滞后和超前Hy，对应磁场H分别为左旋和右旋椭圆极化。根据右手法则，在这两种情况下，波传播的方向分别为顺时针方向和逆时针方向。这就是通过改变外加磁场的方向，电磁波环行方向可在顺时针和逆时针方向之间切换的原因。
②TM波情况
设TM波与x轴正方向呈θ角沿x-y平面传播，则电场位于x-y平面内，磁场平行于z轴，即E＝(Ex,Ey,0)e-jk·r，H＝(0,0,Hz)e-jk·r，k＝kxex+kyey.将上述电场、磁场以及铁氧体的相对磁导率式(1)代入(6)并整理，可得如下关系式
Figure BDA0002861114420000073
Hx＝Hy＝Ez＝0, (13)
Figure BDA0002861114420000074
Figure BDA0002861114420000075
由上述关系式可知，
Figure BDA0002861114420000076
并且Hz≠0，否则无电场和磁场解。磁场只有Hz分量，而电场有Ex和Ey分量，说明TM波可在磁化的铁氧体材料中传播。此外，Ex/Ey为实数形式，Ex和Ey不存在相位差，电场E为线极化。由右手法则易得，波传播的方向不会发生改变，即，磁化的铁氧体材料不能为TM波提供旋转效应。
综上可得，磁化的铁氧体材料可为TE波提供旋转效应，不能为TM波提供旋转效应。
所述的磁光材料复合杆中，其中的等离子体材料，外加磁场方向平行于z轴时，等离子体材料的相对磁导率μr＝1，相对介电常数为张量形式：
Figure BDA0002861114420000081
式中εm＝1-ωp 2(ω-jv)/ω((ω-jv)2-ωc 2)，εk＝-ωcωp 2/ω((ω-jv)2-ωc 2)，εp＝1-ωp 2/ω(ω-jv)，其中等离子体频率ωp＝(e2ne/ε0m)1/2，电子回旋频率ωc＝(eB/m)，等离子密度ne＝1013cm-3，离子频率v＝1×10-5ωp，e为电子电量，m为电子质量，ε0为真空中的介电常数，±和m分别代表外磁场方向沿+z和-z方向，外磁场的大小与铁氧体情况一致，为H0＝3.5×105A/m。
根据麦克斯韦方程中电矢量E和磁矢量H的对偶关系，具有张量形式相对磁导率的铁氧体材料可为TE波提供旋转效应，可推导出具有张量形式相对介电常数的等离子体材料可为TM波提供旋转效应。当然，对于等离子体材料而言，也可用与铁氧体类似的方法推导其波动方程，得到等离子体材料可为TM波提供旋转效应的结论，这里不再重复。
示例性地，定义复合杆中铁氧体和等离子体材料的比例因子为它们的半径之比，即比例因子K＝R1/2；插入损耗的定义为：Insertion Loss(dB)＝10log10(1/Pout)，隔离度的定义为：Isolation(dB)＝10log10(1/Piso)，式中Pout和Piso为归一化的输出端和隔离端功率。
如图3a和图3b所示，P1端口作为输入，P2端口作为输出，P3端口作为隔离端时，环行器的传输谱随复合杆半径R2变化的关系图，此时复合杆中铁氧体和等离子体材料比例因子K＝0.5，工作频率为f＝0.4483(ωa/2πc)。由于结构的对称性，P2和P3口作为输入所得到的结果与P1口作为输入完全一致。通过图3a和3b可以发现，复合杆的半径R2对环行器的传输谱有较大影响。无论是对TE还是TM偏振，最优的结果出现在复合杆半径R2＝0.363a时，此时输出端P2具有最大的输出功率，隔离端P3具有最好的隔离度。在后面的计算中，保持复合杆半径R2＝0.363a。
如图4a和图b所示，P1端口作为输入，P2端口作为输出，P3端口作为隔离端时，环行器的传输谱随复合杆中铁氧体和等离子体材料比例因子K变化的关系图，此时复合杆半径R2＝0.363a，工作频率仍为f＝0.4483(ωa/2πc)。由于结构的对称性，P2和P3口作为输入所得到的结果与P1口作为输入完全一致。通过图4a和4b可以发现，复合杆中铁氧体和等离子体材料比例因子K对环行器的传输谱也有较大影响。无论是对TE还是TM偏振，最优的结果出现在比例因子K＝0.5时。在后面的计算中，将保持比例因子K＝0.5。
如图5所示，工作频率f＝0.4483(ωa/2πc)，复合杆半径R2＝0.363a，比例因子K＝0.5时，通过有限元软件COMSOL进行计算，得到的场分布示意图。可以观察到，无论是TE波还是TM波，电磁波从输入端口输入，从输出端口输出，几乎没有信号从隔离端口输出，实现了TE和TM偏振的环行功能，即实现了与偏振无关的环行器功能。
其中，图5(a)是本发明实施例提供的基于磁光材料的与偏振无关的光子晶体环行器，TE波输入，P1作为输入端，P2作为输出端，P3作为隔离端时的电场分布示意图；图5(b)是本发明实施例提供的基于磁光材料的与偏振无关的光子晶体环行器，TE波输入，P2作为输入端，P3作为输出端，P1作为隔离端时的电场分布示意图；图5(c)是本发明实施例提供的基于磁光材料的与偏振无关的光子晶体环行器，TE波输入，P3作为输入端，P1作为输出端，P2作为隔离端时的电场分布示意图；图5(d)是本发明实施例提供的基于磁光材料的与偏振无关的光子晶体环行器，TM波输入，P1作为输入端，P2作为输出端，P3作为隔离端时的磁场分布示意图；图5(e)是本发明实施例提供的基于磁光材料的与偏振无关的光子晶体环行器，TM波输入，P2作为输入端，P3作为输出端，P1作为隔离端时的磁场分布示意图；图5(f)是本发明实施例提供的基于磁光材料的与偏振无关的光子晶体环行器，TM波输入，P3作为输入端，P1作为输出端，P2作为隔离端时的磁场分布示意图。
如图6a和图6b所示，P1端口作为输入，P2端口作为输出，P3端口作为隔离端时，环行器传输谱的频率响应，此时复合杆半径R2＝0.363a，比例因子K＝0.5。由于结构的对称性，P2和P3口作为输入所得到的结果与P1口作为输入完全一致。通过图6a和6b可以发现，对TE波而言，最优的工作频率出现在f＝0.4486(ωa/2πc)，此时输出端的输出功率T2＝94％(对应的插入损耗为0.26dB)，隔离端的输出功率T3＝4.73％(对应的隔离度为13.25dB)，当工作频率为0.4439-0.4496(ωa/2πc)时，输出端的输出功率都有T2>80％；对TM波而言，最优的工作频率出现在f＝0.4413(ωa/2πc)，此时输出端的输出功率T2＝91％(对应的插入损耗为0.4dB)，隔离端的输出功率T3＝7.89％(对应的隔离度为11dB)，当工作频率为0.4373-0.4494(ωa/2πc)时，输出端的输出功率都有T2>80％。TE和TM偏振的公共带宽为0.4439-0.4496(ωa/2πc)。这说明本发明可以同时工作在TE和TM偏振模式下，即与偏振无关，同时具有较理想的插入损耗和隔离度，较大的工作带宽。
综上所述，本发明提供了一种基于磁光材料的与偏振无关的光子晶体环行器，包括：光子晶体波导；磁光材料复合件，设置于所述光子晶体波导的中心；所述磁光材料复合件包括：铁氧体材料层和等离子体材料层。本发明所提供的光子晶体环行器可广泛应用于微波、太赫兹波和光波波段。它与现有技术相比，具有如下效果：
(1)本发明可同时工作于TE和TM两种偏振模式下，即与偏振无关的光子晶体环行器。无论输入信号是TE还是TM模式，所述光子晶体环行器皆可正常工作；
(2)本发明提供的光子晶体环行器的结构体积小，集成度高，电磁波传输效率高，适合大规模集成；
(3)本发明利用磁光材料的非互易特性制作环行器，能够获得器件中传输端口间的信号单方向环行功能，它能够有效防止信号回流、消除信号相互串扰、确保光路系统正常运作。磁光环行器是集成光路中不可缺少的功能优化器件；
(4)本发明中外加磁场的方向控制波的环行方向，通过改变外加磁场的方向，电磁波环行方向在沿顺时针和逆时针方向之间切换；
(5)本发明在不考虑色散或色散可以忽略的情况下，可以应用光子晶体可等比例缩放的特性，通过等比例改变晶格常数的方法，实现不同波长的环行器功能。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于磁光材料的与偏振无关的光子晶体环行器，其特征在于，包括：
光子晶体波导；
磁光材料复合件，设置于所述光子晶体波导的中心；所述磁光材料复合件包括：铁氧体材料层和等离子体材料层；
所述铁氧体材料层包覆在所述等离子体材料层的表面或所述等离子体材料层包覆在所述铁氧体材料层的表面；所述磁光材料复合件为圆柱或正多边形柱。
2.如权利要求1所述的基于磁光材料的与偏振无关的光子晶体环行器，其特征在于，所述光子晶体波导由具有第一折射率的介质柱阵列周期性排列于具有第二折射率的介质中构成；所述第一折射率小于所述第二折射率。
3.如权利要求2所述的基于磁光材料的与偏振无关的光子晶体环行器，其特征在于，所述第一折射率小于1.6，所述第二折射率大于2.0。
4.如权利要求2所述的基于磁光材料的与偏振无关的光子晶体环行器，其特征在于，所述第一折射率介质柱为圆柱或正多边形柱。
5.如权利要求1所述的基于磁光材料的与偏振无关的光子晶体环行器，其特征在于，所述光子晶体波导为Y字形光子晶体波导。
6.如权利要求2所述的基于磁光材料的与偏振无关的光子晶体环行器，其特征在于，所述光子晶体波导为二维光子晶体波导。
7.如权利要求6所述的基于磁光材料的与偏振无关的光子晶体环行器，其特征在于，所述二维光子晶体波导包括：蜂窝结构二维光子晶体波导、孔状三角晶格二维光子晶体波导或非规则形状二维光子晶体波导。
8.如权利要求1所述的基于磁光材料的与偏振无关的光子晶体环行器，其特征在于，所述磁光材料复合件为圆柱，所述复合件的半径为0.363a，其中，所述a为晶格常数。
9.如权利要求1所述的基于磁光材料的与偏振无关的光子晶体环行器，其特征在于，所述光子晶体环行器同时工作在TE和TM偏振模式下。
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